鎂基儲氫材料以其高理論儲氫容量、豐富的資源、低廉的成本和良好的可逆性，在固態(tài)儲氫體系中占據(jù)著重要地位。然而，Mg-H鍵的穩(wěn)定性、吸脫氫動力學的緩慢以及較高的有效脫氫溫度，仍然是限制其在工程應用中發(fā)展的主要障礙。針對這些挑戰(zhàn)，重慶大學潘復生和胡佳的研究團隊在ACS Nano上發(fā)表了他們的研究成果，他們提出了使用CuNb2O6這種雙金屬氧化物作為催化前驅(qū)體，利用其在反應過程中的原位相變和界面重構(gòu)，共同增強MgH2在中低溫條件下的吸脫氫性能。

這項研究的核心并非簡單地添加一種催化劑，而是借助銅（Cu）和鈮（Nb）在鎂/氫化鎂（Mg/MgH2）反應體系中的不同功能：銅在吸脫氫過程中能轉(zhuǎn)變?yōu)殒V-銅金屬間化合物，參與鎂/氫化鎂的界面反應；鈮則能形成多種價態(tài)的氧化鈮、氧化鈮以及金屬鈮等活性成分，加速界面的電子傳遞和氫的遷移。銅和鈮共同構(gòu)成的催化界面，為減少反應能量障礙、加速氫氣激活以及增強催化循環(huán)穩(wěn)定性提供了必要的結(jié)構(gòu)支持。

通過催化劑前體向活性界面的轉(zhuǎn)變

CuNb2O6催化劑通過溶膠-凝膠工藝制備而成，并通過XRD、SEM/TEM、EDS和HRTEM等技術手段對其晶體結(jié)構(gòu)、顆粒形狀和元素分布進行了詳細的表征。在實驗中，將不同比例的CuNb2O6與MgH2混合進行球磨處理，形成了MgH2-xCuNbO復合體系。經(jīng)過篩選，發(fā)現(xiàn)含有3wt% CuNb2O6的復合樣品在儲氫性能和催化活性上達到了較好的均衡，因此后續(xù)的動力學、熱力學和機理研究均以MgH2-3CuNbO作為主要研究對象。

在MgH2的改良研究中，確定催化劑的添加量需平衡兩個關鍵要素：首先，催化劑必須提供充足的活性位點以減少反應的能障；其次，非儲氫成分的比例若過高，則會減少整體儲氫能力。在這個系統(tǒng)中，3 wt%的添加量被認為是最適宜的，這表明CuNb2O6即使在較小的用量下，也能通過原位生成的活性物質(zhì)實現(xiàn)有效的催化效果。

圖1 展示了CuNb2O6催化劑制備的詳細步驟。

在較低溫度下，吸脫氫反應的動力學性能得到明顯提升。

MgH2-3CuNbO在中等溫度脫氫和較低溫度吸氫方面均顯示了突出的性能。在脫氫階段，這種復合物能在300℃的溫度下于2.5分鐘內(nèi)釋放大約5.8重量百分比的氫氣；在250℃下經(jīng)過6分鐘可以釋放5.53重量百分比的氫氣；即使溫度進一步降至225℃，20分鐘內(nèi)仍能釋放4.65重量百分比的氫氣。在吸氫階段，該系統(tǒng)能在150℃的溫度下僅1分鐘內(nèi)吸收5.5重量百分比的氫氣，在100℃下10分鐘內(nèi)吸收4.28重量百分比的氫氣；在50℃的條件下，也能完成約2重量百分比的氫氣吸收。

動力學分析深入展示了催化效應的內(nèi)在機制。采用Jones-Sharp方法分析，發(fā)現(xiàn)MgH2-3CuNbO脫氫行為與Avrami-Erofe’ev模型相吻合，這表明反應速度主要由Mg/MgH2相變過程中的成核和生長階段所決定。通過JMAK模型結(jié)合Arrhenius方程得出的脫氫表觀活化能為50.95 kJ/mol，相較于機械球磨MgH2的151.57 kJ/mol有顯著降低，這一結(jié)果說明CuNb2O6衍生的催化界面有效減少了MgH2脫氫反應的動力學障礙。

圖2展示了MgH2-3CuNbO在不同溫度條件下的脫氫與吸氫行為曲線。

實驗對比進一步證實，CuNb2O6的效果不是CuO和Nb2O5簡單相加的結(jié)果。在250攝氏度的脫氫環(huán)境下，MgH2-3CuNbO能在最初的5分鐘內(nèi)釋放出5.32重量百分比的氫氣，相比之下，MgH2-3CuO、MgH2-3Nb2O5和MgH2-3(CuO+Nb2O5)僅能釋放0.17、0.71和0.53重量百分比的氫氣。在100攝氏度的吸氫測試中，MgH2-3CuNbO同樣在5分鐘內(nèi)吸收了3.95重量百分比的氫氣，這一數(shù)值高于其他對比樣品。這些數(shù)據(jù)表明，銅和鈮在同一個化合物前驅(qū)體中形成的協(xié)同重構(gòu)效應，為氫氣的吸附和釋放提供了更加有效的催化作用。

圖3展示了MgH2-3CuNbO與其他對照體系在吸脫氫性能上的比較，以及在300℃條件下的循環(huán)穩(wěn)定性曲線。

銅和鈮界面共同作用增強氫氣活性

結(jié)構(gòu)分析揭示，CuNb2O6在反應過程中實現(xiàn)了原位轉(zhuǎn)變。XRD數(shù)據(jù)證實，在脫氫后，體系中檢測到了Mg2Cu相，而在吸氫后則觀察到了MgCu2相。XPS分析顯示，Nb元素從初始的高氧化態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镹bO2、NbO以及金屬Nb等不同氧化態(tài)的活性形態(tài)。通過TEM/HRTEM和EDS的檢測，確認了Cu、Nb、O等元素在反應結(jié)束后依然保持了良好的分散性，這為持續(xù)的吸脫氫循環(huán)提供了穩(wěn)定的界面活性位點。

根據(jù)表征結(jié)果，我們對MgH2/CuNb2O6體系的催化作用機制進行了分析：經(jīng)過球磨處理，CuNb2O6均勻分布在MgH2顆粒的表面；在脫氫反應中，Cu與Mg相互作用形成Mg2Cu，而相鄰的Nb則轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄡r態(tài)的活性Nb相；在隨后的吸氫過程中，Mg2Cu進一步轉(zhuǎn)化為MgCu2，Nb的多價態(tài)繼續(xù)推動電子和氫氣的轉(zhuǎn)移。Mg-Cu相與基于Nb的活性相之間形成的界面區(qū)域，降低了H2吸附、活化以及Mg/MgH2相變的能量門檻。

圖4 展示了MgH2-3CuNbO材料在經(jīng)歷球磨、脫氫以及再吸氫階段時微觀結(jié)構(gòu)的變化過程。

這項研究方法在MgH2催化系統(tǒng)中具有典型意義：催化材料不僅要在初始的球磨過程中均勻分布，而且要在吸脫氫的循環(huán)過程中維持持久的界面活性。CuNb2O6的功能體現(xiàn)在其“預制體-現(xiàn)場重建-活性界面"的連貫變化中，促進催化相在Mg/MgH2相界面區(qū)域的形成和參與反應，避免了僅僅作為獨立的非活性顆粒存在。

在實驗設計方面，這項研究首先通過篩選不同量的CuNb2O6來確定較優(yōu)的復合比例，然后利用等溫吸脫氫曲線、PCT平臺壓力、動力學模型擬合以及多輪循環(huán)測試來構(gòu)建性能評估框架。接著，通過增加樣品中CuNb2O6的含量來增強催化相的表征信號，并利用XRD、XPS和HRTEM技術來揭示反應過程中Mg-Cu相和Nb的多價態(tài)物種的變化路徑，從而避免了僅根據(jù)性能曲線來推測催化機制的做法。

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參考來源：

Fu H.; Long S.; Hu J.; Li J.; Xue H.; Chen Y.; Pan F. Development of Cu/Nb Catalytic Interfaces through In-Situ Synthesis for the Improvement of MgH2 Hydrogen Storage. ACS Nano 2026, 20, 3904-3916.

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文獻信息：

Fu H.; Long S.; Hu J.; Li J.; Xue H.; Chen Y.; Pan F. In Situ Generated Cu/Nb Catalytic Interfaces for Enhancing MgH2 Hydrogen Storage. ACS Nano 2026, 20, 3904-3916.